一种掺杂量子点比率荧光法可视化检测有机磷农药残留的方法

摘要

一种掺杂量子点比率荧光法可视化检测有机磷农药残留的方法，是标准曲线法，包括双荧光发射掺杂量子点的制备及猝灭、标准曲线的建立和有机磷农药残留的检测，其特征在于：所述的标准曲线是在紫外光照射下确立的荧光比率与样品浓度之间对应关系的曲线，即在紫外光照射下向浓度为30-40微克每毫升的经猝灭的掺杂量子点探针分散液中依次加入梯度浓度样品溶液并逐次测定荧光比率而建立的标准曲线；所述的经猝灭的掺杂量子点是指所制备的掺杂量子点探针分散液用猝灭剂将双荧光猝灭至荧光强度不再降低。本方法实现对有机磷农药残留的敏感且高选择性检测。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种农用化学品的分析方法，特别涉及一种痕迹量农用化学品的可视化分析检测方法，具体地说是一种掺杂量子点比率荧光模式可视化检测有机磷农药残留的方法。

二、背景技术

掺杂量子点是指在主体中引入过渡金属离子或稀土金属离子而形成的半导体纳米粒子。掺杂的结果往往具有单一激发多发射带性质，作为一种具有潜在应用价值的荧光探针，与传统有机荧光染料相比，掺杂量子点的荧光性质具有更大的优势：发射峰窄而对称、斯托克斯位移大、量子产率高、亮度强和光稳定性高等。近年来，掺杂量子点的荧光特性已经被广泛应用于对各种离子、有机小分子和生物大分子的分析检测。

有机磷农药一直在国内外大量生产和使用，由于其对非靶标生物的毒性高和存在潜在迟发性神经毒性，已经造成严重的全球环境污染和生态破坏。有机磷农药在农牧产品中的广泛残留，对食品安全和人类健康构成严重的威胁，已经引起中国政府和国际社会的高度关注。因此，有机磷农药残留监测体系的建立、食品安全的实现，都对有机磷残留分析检测水平提出了很高的要求，发展快速、可靠、高灵敏度的有机磷农残分析鉴定方法显得极为重要。虽然对有机磷农药残留的检测已有较成熟的方法，气相色谱法、液相色谱法及气相色谱/质谱法等。这些大型仪器的检测结果准确可靠，但在存在仪器价格昂贵，检测成本高，需要复杂的样品前处理，操作人员需经专业培训等不足，难以用于现场检测。此外，尽管“酶抑制率法+分光光度法”已被列为国家推荐标准(GB/T5009.199-2003)，成为对果蔬中有机磷和氨基甲酸酯类农药残留进行现场快速初筛/定性检测的主流技术之一，但是，酶抑制法有一个共同的缺点：不能将存在于同一样品中的有机磷和氨基甲酸酯类农药区分开。随着人们对环保问题的日益关注，对食品安全意识的逐步提高，对有机磷农药检测限的要求将会更低，发展灵敏可靠的检测技术面临新的机遇和挑战。因此，综合利用现代的科学技术，发展快速、便捷、在线的有机磷农残检测系统已经成为分析化学和传感器领域新的研究亮点和应用突破口。

近些年来，基于量子点等纳米材料对农药的荧光分析方法得到重视。李海兵等人2007年在Chem.Mater.上发表的文章报道了杯芳烃修饰的包含量子点的二氧化硅微球应用于农药检测，对农药灭多威具有很好的选择性，检测限达到0.08μM。唐智勇等人2010年在Biosens.Bioelectron.上发表的论文采用层层自组装技术将量子点与酶有序组装成生物传感器，利用量子点光学特性与酶的催化活性和特异性相结合,也成功实现了用于检测果蔬中甲基对硫磷的检测。但大多荧光分析检测都是基于单一荧光单元的增强或减弱作为响应信号。这种基于单一荧光强度变化的探针除具有易受检测底物的影响、光漂白等缺点外，还可能同时受到诸如探针浓度、温度、极性、环境的pH值、稳定性等众多可变或难以定量的因素的干扰。

为了减少这些因素的影响，采用比率荧光法进行检测是一种更好的选择。所谓比率荧光就是两种发光强度不同的荧光构成的混色荧光，双荧光强度的比值称之为荧光比率。荧光比率随目标产物的不同或者同一目标产物浓度不同而变化，也就是可观察到的比率荧光不同。比率荧光检测的一个突出优点就是通过强度比值的变化提高动态响应的范围，通过建立内标，极大地削弱其他因素的干扰，实现对目标分析物的定量检测。然而，到目前为止开发比率荧光探针检测有机磷农药残留还未见文献报道。

三、发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，旨在提供一种比率荧光法快速检测毒死蜱、对硫磷、甲基对硫磷、辛硫磷等硫逐式硫代磷酸酯有机磷农药（下简称有机磷农药）及其降解产物残留量的方法，所要解决的技术问题是遴选合适的具有双发射荧光性质的掺杂量子点以实现可视化分析检测。所谓合适的掺杂量子点就是该量子点在紫外光激发下所发射的双荧光强度满足肉眼观察的需要。

本发明利用掺杂量子点具有双荧光发射并且易于调制荧光比率变化的特性，开发出一种比率荧光法的可视化检测方法。这就是掺杂量子点水分散液在紫外光照射下发射双荧光，可观察到双荧光的混色荧光，然后使用猝灭剂使双荧光强度降至最低，最后加入待测样品溶液，这时双荧光中一个荧光强度基本不变、甚至更弱，另一个荧光强度增强，随着待测样品浓度的增加，混色荧光颜色逐渐向单色荧光过渡并增强，荧光颜色变化的过程也就是荧光比率变化的过程，据此确立荧光比率变化与待测样品浓度之间的对应关系，并建立标准曲线，最终通过可观察到的颜色变化确立可视化分析方法。

本可视化检测方法是标准曲线法，包括双荧光发射掺杂量子点的制备及猝灭、标准曲线的建立和有机磷农药残留的检测，与现有技术的区别是所述的标准曲线是在紫外光照射下确立的荧光比率与样品浓度之间对应关系的曲线，即在紫外光照射下向浓度为30-40微克每毫升的经猝灭的掺杂量子点探针分散液中依次加入梯度浓度样品溶液并能逐次测定荧光比率而建立的标准曲线；所述的经猝灭的掺杂量子点是指所制备的掺杂量子点探针分散液用猝灭剂将双荧光猝灭至荧光强度不再降低。

有了标准曲线，农药残留的检测十分方便，即在紫外光照射下向同浓度的经猝灭的掺杂量子点分散液中加入待测样品溶液并测定荧光比率，通过标准曲线确定其残留浓度。

所述的掺杂量子点选自Mn、Cu或Ni掺杂的ZnS、CdS、CdTe、CdTe/CdS、CdSe或CdSe/CdS等任一种具有双发射带的量子点。荧光激发波长250～500nm，发射波长在380-470nm（蓝光区）或480-570nm（绿光区）和580-690nm（红光区）。

优选锰掺杂的ZnS量子点，探针分散液浓度30微克每毫升；铜、锰共掺杂的ZnS量子点，探针分散液浓度40微克每毫升。

量子点与掺杂元素的摩尔比为100:2-100：20，当掺杂元素为两种时，掺杂元素摩尔比1:1。

所述的猝灭剂选自双硫腙、汞离子或1-(4-吡啶基)吡啶氯盐酸盐、多巴胺等，优选多巴胺和双硫腙。

具体操作步骤如下：

1、掺杂量子点的制备

将氯化镉、硫酸镉、硝酸镉或醋酸镉（氯化锌、硫酸锌、硝酸锌或醋酸锌）等水溶性镉源或锌源与氯化锰、硫酸锰、硝酸锰或醋酸锰（氯化铜、硫酸铜、硝酸铜或醋酸铜；氯化镍、硫酸镍、硝酸镍或醋酸镍）等掺杂水溶性盐溶解于一定量的水溶液中并搅拌，相对摩尔比控制在100:2～100:20之间，温度控制在室温至回流温度，在氮气保护下，加入与镉源或锌源等摩尔量的硫化钠，搅拌0.5～48小时，离心洗涤即可得到具有双发射带的掺杂硫化镉或硫化锌量子点，备用。

2、掺杂量子点双荧光发射带的猝灭

取适量掺杂量子点分散于水中，保证在紫外灯下能看出明显的双荧光混色荧光的颜色。在紫外灯下逐次加入猝灭剂，由于双荧光被逐渐猝灭但猝灭率不同，可观察到比率荧光颜色不断变化，至比率荧光颜色不变为止，也就是双荧光的强度均降至最低，将猝灭后的掺杂量子点分离洗涤后备用。

3、绘制标准曲线

将猝灭后的掺杂量子点分散于水中制成浓度微克每毫升的分散液，在紫外光照射下依次加入梯度浓度的标样溶液并逐次测定荧光比率，在0.02mmol/L含量就有响应，随着标样浓度逐渐增加，比率荧光的颜色也同步变化，直至不再变化。以标样浓度为横坐标，荧光比率为纵坐标绘制标准曲线。

4、荧光检测

将待测样品溶液加入到同浓度猝灭后的掺杂量子点分散液中，在紫外光照射下测定荧光比率，根据标准曲线求得待测样品中残留浓度。

本发明的优点和积极效果：

本发明利用首次掺杂量子点双发射荧光的性质检测有机磷农药，设计比率荧光模式探针，对有机磷农药残留或及降解产物进行荧光检测，以有机磷农药毒死蜱及其降解产物为例。其线性范围为0.02～0.3mmol/L，检出限为0.02mmol/L。农药残留量在0.2mmol/L可实现可视化检测。

本发明方法在一定程度上可以避免使用大型仪器，仅需一个手持式紫外灯就可进行可视化检测，操作简单，方便快速，敏感性高，效果显著；本方法能有效避免样品中其他杂质的干扰，所以选择性好，也省略了预处理过程。采用比率荧光的方式达到对有机磷农药残留的敏感且高选择性检测。

四、附图说明

图1是锰掺杂硫化锌量子点的荧光光谱图。双荧光分别为蓝光和红光，混色荧光为黄光。

图2是锰掺杂硫化锌量子点的双发射带猝灭前后的荧光光谱图。

图3是毒死蜱降解产物对荧光光谱比率强度变化图。

图4是对毒死蜱降解产物的可视化分析检测照片，左边的小瓶为水溶液空白对比照。

图5是有机磷农药毒死蜱降解产物浓度与荧光比率强度之间的线性关系图（即标准曲线）。

图6是甲基对硫磷降解产物对荧光光谱比率强度变化图。

图7是对甲基对硫磷降解产物的可视化分析检测照片，左边的小瓶为水溶液空白对比照。

五、具体实施方式

现以锰掺杂硫化锌量子点在水溶液中多巴胺为猝灭剂为例非限定实施例叙述如下：

实施例1：毒死蜱及其降解产物的检测

1、锰掺杂硫化锌量子点的制备

先把50mmol的硝酸锌溶解在40mL的去离子水中，然后取0.5～7.5mmol的醋酸锰溶解在上述溶液做一系列掺锰实验，以确定什么量时发光产率最高，把上述混合物超声10min以完全溶解，然后回流并通干燥氮气30min以上用以除去溶液中的氧气。取50mmol的硫化钠溶解在10mL的去离子水中，逐滴滴加入上面的沸腾混合物中，回流并强烈搅拌5h。冷却后离心、超声分散并用去离子水洗三次再重新分散到水中。荧光光谱见图1。

2、掺杂量子点双发射带荧光的猝灭

取5mL锰掺杂硫化锌量子点水分散液加入到含一定量三乙胺（20微升）、二硫化碳（20微升）和多巴胺（50毫克）的混合溶液中，反应24小时后离心洗涤再分散到水中，分散液浓度30微克每毫升。多巴胺明显地将两个发射峰的强度降至最低。猝灭前后的荧光光谱见图2。

3、毒死蜱与荧光比率标准曲线的建立

在紫外光照射下，将系列浓度20μM～260μM有机磷农药毒死蜱的降解产物溶液加入到猝灭后的锰掺杂硫化锌量子点探针（30微克每毫升）分散液中。在20μM含量就有响应，检测比较灵敏。随着有机磷农药的量逐渐加大，荧光颜色逐渐发生从黄色到红色的变化。荧光比率变化见图3。可视化照片见图4。以浓度为横坐标，荧光比率为纵坐标绘制标准曲线。毒死蜱降解产物浓度与荧光比率之间的线性关系见图5。

4、对毒死蜱及其降解产物的可视化检测

将待检测的有机磷农药毒死蜱的降解产物溶液加入到猝灭后的锰掺杂硫化锌（30微克每毫升）分散液中，在紫外光照射下检测荧光比率，根据标准曲线求得其浓度。

实施例2甲基对硫磷的检测

1、铜、锰共掺杂硫化锌量子点的制备

先把50mmol的氯化锌溶解在40mL的去离子水中，然后取0.5～7.5mmol的氯化锰和氯化铜溶解在上述溶液做一系列参锰实验，以确定什么量时发光产率最高，把上述混合物超声10min以完全溶解，然后回流并通干燥氮气30min以上用以除去溶液中的氧气。取50mmol的硫化钠溶解在10mL的去离子水中，逐滴滴加入上面的沸腾混合物中，回流并强烈搅拌5h。冷却后离心、超声分散并用去离子水洗三次再重新分散到水中（浓度微克每毫升），备用。

2、掺杂量子点双发射带荧光的猝灭

取3mL铜、锰共掺杂硫化锌量子点水分散液加入到含一定量三乙胺（20微升）、二硫化碳（20微升）和多巴胺（50毫克）的混合溶液中，反应36小时后离心洗涤再分散到水中，分散液浓度40微克每毫升。多巴胺明显地将两个发射峰的强度降至最低。

3、甲基对硫磷与荧光比率标准曲线的建立

在紫外光照射下，将系列浓度20μM～180μM有机磷农药甲基对硫磷的降解产物溶液加入到猝灭后的共掺杂硫化锌量子点探针（40微克每毫升）分散液中。在20μM含量就有响应，检测比较灵敏。随着有机磷农药的量逐渐加大，荧光颜色逐渐发生从蓝色到黄色的变化。荧光比率变化见图6。可视化照片见图7。以浓度为横坐标，荧光比率为纵坐标绘制标准曲线，从而确定甲基对硫磷降解产物浓度与荧光比率之间的线性关系。

4、对甲基对硫磷及其降解产物的可视化检测

将待检测的有机磷农药甲基对硫磷的降解产物溶液加入到猝灭后的共掺杂硫化锌（40微克每毫升）分散液中，在紫外光照射下检测荧光比率，根据标准曲线求得其浓度。